CC BY
1
УДК 637.049:668.411 DOI 10.52231/2225-4269_2024_1_219
Исследование физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана
Хайдукова Елена Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии молока и молочных продуктов e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина», г. Вологда, Россия
Новокшанова Алла Львовна, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр питания, биотехнологии и безопасности пищи», г. Москва, Россия
Ключевые слова: арабиногалактан, растворимость, плотность, кислотность, вязкость.
Аннотация. К числу биологически активных веществ, рекомендованных для обогащения пищевой продукции, относят арабиногалактан. В работе исследованы гидрофильные свойства арабиногалактана, промышленное производство которого налажено в РФ. Ингредиент представлял собой сухой аморфный порошок бело-кремового цвета, без вкуса и запаха. Принятая температура гидратации составляла 19 °С. Исследуемый диапазон концентраций арабиногалактана соответствовал рекомендуемым уровням суточного потребления. Навески арабиногалактана в количестве от 1,5 до 10,0 г вносили в воду. Процесс растворения ингредиента оценивали визуально. В растворах исследовали плотность, вязкость, активную и титруемую кислотности. После измерения физико-химических показателей образцы пастеризовали при температуре (88±2) °С без выдержки и оставляли на хранение при температуре (4±2) °С на пять суток. С увеличением концентрации арабиногалактана в образцах процесс
растворения удлинялся. При увеличении концентрации компонента с 1,5 до 10,0 % продолжительность его растворения возросла до 5 раз. Растворы арабиногалактана имели желтоватое, кремовое или коричневатое окрашивание в зависимости от количества ингредиента в системе, а также обладали клейкими свойствами, подобно сахарным сиропам. Повышение массовой доли арабиногалактана в растворах положительно коррелировало с показателями плотности и вязкости, что важно при использовании этого компонента для регулирования реологических свойств различных пищевых систем. В водных растворах арабиногалактан проявил свойства кислого полисахарида, поскольку значения активной и титруемой кислотности изменились в сторону подкисления среды. После холодильного хранения при температуре (4±2) °С в течение 5 суток все системы сохранили стабильность, визуального загущения при этом не наблюдали.
Введение
Один из популярных потребительских трендов «здоровое питание» обоснованно поддерживается в современных медико-биологических исследованиях [1]. Последствия нутриентного дефицита в рационе населения активно обсуждаются в многочисленных публикациях. Это способствует разработке технологий и расширению ассортимента обогащенной и специализированной пищевой продукции, позволяющей снижать риски негативного воздействия внешней окружающей среды, укреплять здоровье населения. Одним из направлений решения этой задачи является внесение в рецептуру различных пищевых систем пищевых добавок, обладающих выраженным физиологическим воздействием на организм человека [2].
К числу пищевых и/или биологически активных вещества, которые входят в рекомендуемый перечень для обогащения пищевой продукции относят пищевые волокна. Несмотря на то, что эти компоненты пищи не гидролизуются пищеварительными ферментами человека, они считаются незаменимыми нутриентами, поскольку могут быть переработаны нормальной микрофлорой кишечника. На основании чего пищевые волокна иначе называют пребиотики, что буквально означает предшествующие, способствующие развитию нормальной микрофлоры толстого кишечника. Кроме того, они способствуют выведению различных метаболитов, токсинов, солей тяжелых металлов из организма, то есть нормализуют физиологические процессы. С технологической точки зрения пищевые волокна способны влиять на протекание технологических процессов, изменять физико-химические, реологические, органолептические показатели продукта [3].
На рынке пищевых ингредиентов представлен широкий выбор
различных пищевых волокон, которые отличаются по медико-биологическим показаниям, физико-химическим свойствам, техническим характеристикам, наконец, по стоимости. Прежде чем сделать обоснованный выбор в пользу того или иного ингредиента, специалистам следует провести глубокий научно-технический поиск в этой области. При промышленном производстве предприятия зачастую не могут позволить себе такого рода исследования в силу ограниченности временных и финансовых ресурсов.
Цель исследования
Данная работа нацелена на проведение исследований ряда физико-химических свойств водных растворов арабиногалактана. Актуальность исследований обоснована, во-первых, тем, что арабиногалактан входит в число биологически активных веществ пищи, имеющих медико-биологические рекомендации к использованию в обогащенной и специализированной пищевой продукции [4]; во-вторых, в РФ налажено промышленное производство данного ингредиента.
Основным сырьем для получения арабиногалактана является лиственница, древесина которой содержит до 35 % этого вещества. Он входит в состав внутриклеточных полисахаридов древесины, имеет разветвленное строение. Основная цепь этого полимера состоит из остатков (З^-галактопиранозы, соединенных гликозидными связями (3-(1 ^ 3). В состав боковых цепей входят различные фрагменты из р^-галактопиранозы и из (З^-арабинофуранозы, соединенных (3-(1 ^ 6) связями, а также остатки уроновых кислот, в частности глюкуроновой. Благодаря наличию функциональных групп (гидроксильных и карбоксильных) макромолекулы арабиногалактана способны образовывать ассоциаты, которые обратимо диссоциируют. В пространстве этот полимер образует компактную сферическую форму [5].
Применение арабиногалактана в пищевой промышленности регламентируется нормативными документами [6, 7], в соответствии с которыми он классифицируется как загуститель, желирующий агент и стабилизатор. Рекомендуемый суточный уровень потребления арабиногалактана составляет от 10 г (адекватный уровень) до 20 г (верхний допустимый уровень).
В научной литературе есть информация об использовании арабиногалактана в продуктах сыроделия и маслоделия [8], для изготовления йогуртного кисломолочного продукта [9], при получении составного кисломолочного продукта из обезжиренного молока и соевой основы [10]. Однако эти результаты получены с использованием разного пищевого сырья в производстве разных продуктов, что, с одной стороны, не позволяет сделать обобщенные рекомендации по использованию арабиногалактана в технологии тех или иных пищевых
продуктов, а с другой стороны, побуждает к проведению дальнейших исследований.
Объект исследования
Объектом исследования служил арабиногалактан торговой марки «Лавитол», произведенный компанией ЗАО «Аметис» г. Благовещенск. Ингредиент представляет собой сухой аморфный порошок бело-кремового цвета, без вкуса и запаха.
В документации производителя есть информация о гигиенической и микробиологической безопасности ингредиента, но нет сведений о растворимости. В связи с этим прежде всего исследованы гидрофильные свойства арабиногалактана.
В качестве растворителя использовали воду централизованной системы питьевого водоснабжения г. Вологды, соответствующую нормативным документам [11, 12].
Навески арабиногалактана вносили в воду при непрерывном помешивании. Растворимость арабиногалактана оценивали визуально по исчезновению включений ингредиента в системе.
Методы исследования
В полученных растворах арабиногалактана исследовали общепринятыми методами при 19 °С:
- активную кислотность (рН-метр рН-150МИ);
- плотность - ареометрическим методом (ареометр АОН, цилиндр вместимостью 100 см3).
Титруемую кислотность определяли, придерживаясь стандартной методики. По объему щелочи, пошедшему на нейтрализацию кислых компонентов раствора арабиногалактана, в соответствии с законом эквивалентов можно рассчитать их концентрацию:
Сэ(№ОН) ■ V(NaОH) = Сэ(р) ■ V(р),
где Сэ^аОН) - молярная эквивалентная концентрация щелочи, моль/дм3;
V(NaОH) - объем щелочи, см3;
Сэ(р) - молярная эквивалентная концентрация раствора, моль/
дм3;
V(р) - объем раствора, см3;
Динамическую вязкость определяли капиллярным методом (вискозиметр Оствальда типа ВПЖ-2) по времени истечения воды с известной вязкостью и времени истечения исследуемого раствора.
Для расчета динамической вязкости применяли формулу, выведенную из формулы Ж. Пуазейля:
Пр=Пь-(Рр • tp)/(Pb • ^
где пр - динамическая вязкость исследуемого раствора при 19 °С,
Па-с;
Пв - динамическая вязкость воды при 19 °С, Па-с; рр - плотность исследуемого раствора при 19 °С, кг/м3; рв - плотность воды при 19 °С, кг/м3;
Ц - время истечения соответственно исследуемого раствора и воды из капилляра одного и того же вискозиметра, с.
Динамическая вязкость и плотность воды при 19 °С, согласно справочным данным, составляли соответственно 1,030-10-3 Па-с и 998,4 кг/м3 [13].
После измерения физико-химических показателей все образцы подвергали пастеризации при температуре (88±2) °С без выдержки. После пастеризации растворы охлаждали до (20±2) °С и помещали в бытовой холодильник для определения стабильности растворов при хранении в интервале температур (4±2) °С.
Результаты исследования и их анализ
Моделирование процесса гидратации вели в образцах, согласно технологической карте, представленной в таблице 1. Температура растворения ингредиента составляла 19 °С.
Таблица 1 - Изучение продолжительности растворения арабиногалактана при разном соотношении компонентов_
Состав смеси, г Время
арабиногалактан вода растворения, мин
1,5 98,5 5
3,0 97,0 7
5,0 95,0 15
7,0 93,0 20
10,0 90,0 25
Из данных таблицы очевидно, что с увеличением концентрации арабиногалактана в образцах удлинялся процесс его растворения. При увеличении концентрации компонента с 1,5 до 10,0 %% продолжительность растворения возросла до 5 раз.
Визуально наблюдали наличие хлопьев арабиногалактана на поверхности образцов. При перемешивании образовывалась достаточно устойчивая пена. Компонент придавал раствору желтоватое, кремовое,
коричневое окрашивание несмотря на то, что цвет сухого ингредиента был бело-кремовым. Кроме того, все растворы обладали клейкими свойствами, подобно сахарным сиропам. По истечении указанного в таблице 1 времени, удалось добиться полного растворения арабиногалактана. Описание визуальных наблюдений гидратации арабиногалактана в зависимости от его концентрации в растворе представлено в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты визуальных наблюдений гидратации арабиногалактана
Массовая доля арабиногалактана, % Визуальная характеристика раствора
1,5 Подвижная прозрачная жидкость с едва различимым желтоватым окрашиванием
3,0 Подвижная прозрачная жидкость с более интенсивным желтоватым окрашиванием
5,0 Подвижная прозрачная жидкость с едва различимой мутностью, цвет слабо-кремовый, небольшое количество пены, отдельные хлопья ингредиента, появление сладковатого аромата
7,0 Подвижная мутноватая жидкость, цвет кремовый, увеличение объема пены, сладковатый аромат
10,0 Подвижная мутная жидкость, непрозрачный, цвет коричневый, на поверхности устойчивая пена, сладковатый аромат
Результаты исследования физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Физико-химические характеристики водного раствора арабиногалактана
Массовая доля арабиногалактана, % Активная кислотность, единицы рН Титруемая кислотность, моль/дм3 Плотность, г/см3 Вязкость, Па-с
1,5 5,46 0,001 1,003 1,094-10-3
3,0 4,91 0,001 1,007 1,187-10-3
5,0 4,52 0,002 1,014 1,315-10-3
7,0 4,31 0,004 1,022 1,476-10-3
10,0 4,23 0,005 1,034 1,768-10-3
По полученным данным, повышение массовой доли арабиногалактана в водных растворах положительно коррелировало с показателями плотности и вязкости, что важно при использовании этого компонента для регулирования реологических свойств различных пищевых систем.
В водных растворах арабиногалактан проявил свойства кислого полисахарида, поскольку значения активной и титруемой кислотности изменились в сторону подкисления среды. По-видимому, это связано с диссоциацией карбоксильных и гидроксильных групп, входящих в состав этого гидроколлоида.
После измерения физико-химических показателей все образцы подвергли пастеризации при температуре (88±2) °С без выдержки. При этом все растворы приобрели прозрачность.
После холодильного хранения при температуре (4±2) °С в течение 5 суток все системы сохранили стабильность, визуального загущения при этом не наблюдали (рисунок 1).
а б в г д
Рисунок 1 - Образцы с массовой долей арабиногалактана: а) 1,5 %; б) 3,0 %; в) 5,0 %; г) 7,0 %; д) 10,0 % после холодильного хранения
Из литературных данных известно, что арабиногалактан был растворим в воде в широком диапазоне температур и концентраций. Например, описаны результаты, согласно которым авторам удалось растворить от 14 до 50 г компонента в 100 мл воды при температуре от 0 до 90 °С в течение 15 мин [8].
Новизна полученных нами результатов заключается в детализации температурно-временных характеристик растворимости арабиногалактана в диапазоне его массовой доли от 1,5 до 10,0 %.
Изучение физико-химических характеристик водного раствора арабиногалактана различной концентрации позволит разработать рекомендации для использования этого вида пищевых волокон в производстве различных обогащенных продуктов. По полученным данным, арабиногалактан в интервале концентраций от 1,5% до 10,0 % растворим в воде при температуре 19 °С. В указанных концентрациях арабиногалактан является источником растворимых пищевых волокон. Допускаем, что данный ингредиент можно будет использовать в качестве пищевой добавки, отвечающей за текстуру готового пищевого продукта. Для подтверждения или опровержения рабочей гипотезы дальнейшие исследования планируется проводить с молочным сырьем.
Литература:
1. Тутельян, В. А. Приоритеты государственной политики здорового питания населения России на федеральном и региональном уровнях // ПФЦОП : сайт. - URL : http://pfcop.opitanii.ru/articles/state_ feed_prioritets.shtml (дата обращения: 17.11.2023).
2. Стратегия повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 года : Распоряжение Правительства Российской 146 Федерации № 1364-р : [утв. Правительством Российской Федерации 29 июня 2016 года] : (с изменениями и дополнениями). -Доступ из справ.- правовой системы КонсультантПлюс.
3. Новокшанова, АЛ. Пищевая химия: учебник для вузов/ А.Л. Новокшанова. - Москва: Издательство Юрайт, 2024. - 307 с. - (Высшее образование) // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. - URL: https://urait.ru/bcode/544174 (дата обращения: 02.03.2024).
4. Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к продукции (товарам), подлежащей санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю): утв. решением Комиссии Таможенного союза № 299 от 28 мая 2010 г. (с изменениями на 10 ноября 2015 года).
5. Медведева Е.Н. Арабиногалактан лиственницы - свойства и перспективы использования (обзор) / Е.Н. Медведева, В.А. Бабкина, Л.А. Остроухова // Химия растительного сырья. - 2003. - № 1. - С. 27-37.
6. Постановление Главного государственного санитарного врача от 14.11.2001г. № 36 «О введении в действие санитарных правил (СанПин 2.3.2.1078-01)».
7. Методические рекомендации Государственного санитарно-эпидемиологического нормирования Российской Федерации № 2.3.1.1915-04 от 2004 г. «Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ».
8. Дунаев, А.В. Дигидрокверцетин и арабиногалактан -натуральные пищевые добавки в продуктах сыроделия и маслоделия / Дунаев А.В., Иванова Н.В., Смирнова А.И. // Сборник научных трудов к 75-летию со дня основания ВНИИМС. - Углич, ВНИИМС - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, 2019. - С. 274-277.
9. Завезенова И.В. Йогуртный кисломолочный продукт, обогащенный функциональной добавкой арабиногалактан // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 6-1. - С. 29-32. - URL: https:// fundamental-research.ru/ru/article/view?id = 34102 (дата обращения: 01.03.2024).
10. Решетник, Е.И. Исследование возможности обогащения кисломолочных продуктов пищевой добавкой «Лавитол-
арабиногалактан» / Е.И. Решетник, Е.А. Уточкина // Техника и технология пищевых производств. - 2010. - № 2 (17). - С. 3-7.
11. ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля»
12. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.
13. Справочник химика. Общие сведения. Строение вещества. Свойства важнейших веществ. Лабораторная техника. - Ленинград: Химия, 1966. - 1073 с.
References:
1. Tutelyan, V. A. Priorities of the state policy of healthy nutrition of the population of Russia at the federal and regional levels. - Text: electronic. Available at: http://pfcop.opitanii.ru/articles/state_feed_prioritets.shtml (access date: 11/17/2023). (In Russian)
2. Strategiya povysheniya kachestva pishchevoj produkcii v Rossijskoj Federacii do 2030 goda : Rasporyazhenie Pravitel'stva Rossijskoj 146 Federacii № 1364-r : [utverzhdena Pravitel'stvom Rossijskoj Federacii 29 iyunya 2016 goda] : (s izmeneniyami i dopolneniyami). [Strategy for improving the quality of food products in the Russian Federation until 2030: Order of the Government of the Russian Federation 146 No. 1364-r]: [approved by the Government of the Russian Federation on June 29, 2016]: (with amendments and additions). - Access from the reference legal system ConsultantPlus. - Text: electronic. (In Russian)
3. Novokshanova, AL. Food chemistry: textbook for universities. M.: Yurayt Publishing House, 2024. - 307 p. — Text: electronic // Educational platform Urayt [website]. Available at: https://urait.ru/bcode/544174 (access date: 03/02/2024). (In Russian)
4. Edinye sanitarno-epidemiologicheskie i gigienicheskie trebovaniya k produkcii (tovaram), podlezhashchej sanitarno-epidemiologicheskomu na-dzoru (kontrolyu). [Unified sanitary-epidemiological and hygienic requirements for products (goods) subject to sanitary-epidemiological supervision (control)]. Approved by decision of the Customs Union Commission No. 299 of May 28, 2010 (as amended on November 10, 2015). - Text direct. (In Russian)
5. Medvedeva E.N. Larch arabinogalactan - properties and prospects for use (review). Himiya rastitel'nogo syr'ya. [Chemistry of plant raw materials], 2003, no. 1, pp. 27-37. - Text direct. (In Russian)
6. Postanovlenie Glavnogo Gosudarstvennogo Sanitarnogo vracha ot 14.11.2001g. № 36 «O vvedenii v dejstvie sanitarnyh pravil (SanPin 2.3.2.1078-01)». [Resolution of the Chief State Sanitary Doctor of Novem-
ber 14, 2001. No. 36 «On the implementation of sanitary rules (SanPin 2.3.2.1078-01).»]. - Text direct. (In Russian)
7. Metodicheskie rekomendacii Gosudarstvennogo sanitarno-epide-miologicheskogo normirovaniya Rossijskoj Federacii № 2.3.1.1915-04 ot 2004 g. «Rekomenduemye urovni potrebleniya pishchevyh i biologiches-ki aktivnyh veshchestv». [Methodological recommendations of the State Sanitary and Epidemiological Standardization of the Russian Federation No. 2.3.1.1915-04 of 2004 «Recommended levels of consumption of food and biologically active substances.»]. - Text direct. (In Russian)
8. Dunaev, A.V. Dihydroquercetin and arabinogalactan are natural food additives in cheese and butter products. Sbornik nauchnyh trudov k 75-letiyu so dnya osnovaniya VNIIMS. [Collection of scientific papers dedicated to the 75th anniversary of the founding of VNIIMS]. Uglich, VNIIMS
- branch of the Federal State Budgetary Institution «FSC of Food Systems named after. V.M. Gorbatov» RAS, 2019, pp. 274-277. - Text direct. (In Russian)
9. Zavezenova I.V. Yoghurt fermented milk product enriched with the functional additive arabinogalactan. Fundamental'nye issledovaniya. [Fundamental Research], 2014, no. 6-1, pp. 29-32. - Text: electronic. Available at: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34102 (access date: 03/01/2024).
10. Reshetnik, E.I. Study of the possibility of enriching fermented milk products with the food additive «Lavitol-arabinogalactan». Tekhnika i tekhnologiya pishchevyh proizvodstv. [Equipment and technology of food production], 2010, no. 2 (17), pp. 3-7. - Text direct. (In Russian)
11. GOST R 51232 — 98 «Voda pit'evaya. Obshchie trebovaniya k organizacii i metodam kontrolya». [State Standard R 51232 - 98 «Drinking water. General requirements for organization and control methods»].
- Text direct. (In Russian)
12. Sanitarno-epidemiologicheskie pravila i normativy SanPiN 2.1.4.1074 — 01 «Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody centralizovannyh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. [Sanitary and epidemiological rules and regulations SanPiN 2.1.4.1074 - 01 «Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems»]. - Text direct. (In Russian)
13. Spravochnik himika. Obshchie svedeniya. Stroenie veshchest-va. Svojstva vazhnejshih veshchestv. Laboratornaya tekhnika. [Chemist's Handbook. General information. Structure of matter. Properties of the most important substances. Laboratory technology]. Publishing house «Chemistry» 1966 Leningrad, 1966 1073 p. - Text direct. (In Russian)
Study of physical and chemical characteristics of an aqueous solution of arabinogalactan
Khaidukova Elena Vyacheslavovna, Candidate of Science (Technology), Associate Professor of the Technology of Milk and Dairy Products Department
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Farming Academy named after N.V. Vereshchagin», Vologda, Russian
Novokshanova Alla L'vovna, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Leading Researcher
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Institution of Science «Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety», Moscow, Russian
Keywords: arabinogalactan, solubility, density, acidity, viscosity.
Abstract. Arabinogalactan is among the biologically active substances recommended for fortifying food products. This work examines the hydrophilic properties of arabinogalactan, the industrial production of which is established in the Russian Federation. The ingredient was a dry, amorphous, white-cream powder, tasteless and odorless. The accepted hydration temperature was 19 °C. The range of arabinogalactan concentrations studied was within the recommended daily intake levels. Weights of arabinogalactan in amounts from 1.5 to 10.0 g were added to water. The dissolution process of the ingredient was assessed visually. Density, viscosity, active and titratable acidity were studied in solutions. After measuring the physicochemical parameters, the samples were pasteurized at a temperature of (88±2) °C without holding and left for storage at a temperature of (4±2) °C for five days. As the concentration of arabinogalactan in the samples increased, the dissolution process lengthened. When the component concentration increased from 1.5 to 10.0%, the duration of its dissolution increased up to 5 times. Solutions of arabinogalactan had a yellowish, creamy or brownish color depending on the amount of the ingredient in the system, and also had adhesive properties, like sugar syrups. An increase in the mass fraction of arabinogalactan in solutions positively correlated with density and viscosity, which is important when using this component to regulate the rheological properties of various food systems. In aqueous solutions, arabinogalactan exhibited the properties of an acidic polysaccharide, since the values of active and titratable acidity changed towards acidification of the medium. After refrigerated storage at a temperature of (4±2) °C for 5 days, all systems remained stable, and no visual thickening was observed.
